Batterie sodium-ion (Na-ion) au format industriel standard « 18650 », posée sur un tas de sel (NaCl). Il s'agit de la première batterie au sodium mise au point dans ce format. Dans ce type de batterie, les ions sodium transitent d'une électrode à l'autre au fil des cycles de charge et de décharge. Elle représente une alternative aux batteries lithium-ion actuellement utilisées dans les ordinateurs portables ou encore les voitures électriques. Elle présente l'avantage d'utiliser un élément 1 000 fois plus abondant et aussi moins coûteux que le lithium : le sodium. Ses performances en densité d'énergie sont comparables à celles des premières batteries lithium-ion avec une marge de progression importante. 
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© Vincent GUILLY/CEA

Batterie sodium-ion, le début d’une nouvelle ère

Il y a quelques mois, une équipe de chercheurs du réseau RS2E a présenté leur premier prototype de batterie sodium-ion. Pour comprendre l’avancée que représente cette technologie, il faut connaître le contexte des batteries rechargeables utilisé pour les applications mobile.

Le marché des batteries est aujourd’hui en pleine expansion et est dominé par les batteries Lithium-ion. Le lithium, en abondance faible sur terre (33eme élément le plus abondant, 20mg/kg dans la croûte terrestre), est un des éléments essentiel de ces systèmes de stockage. Les plus gros gisements exploités sont limités à quelques pays en Amérique du sud (Chili, Bolivie, Argentine) ou en Asie (Chine). C’est ce faible nombre de producteurs qui fait craindre des irrégularités d’approvisionnement et place donc le lithium comme une ressource à criticité moyenne. Les réserves disponibles étant estimé à plusieurs dizaines de millions de tonnes, contre une extraction comprise entre 33 000 et 38 000 tonnes annuelle (36 000t en 2014), la pénurie n’est pas envisagée à long terme (plusieurs siècles d’approvisionnement).

Depuis quelques années le développement de batteries Sodium-ion est donc devenu un objectif des laboratoires de recherche spécialisés dans les batteries rechargeables. Le sodium étant un élément beaucoup plus abondant que le lithium (6eme élément le plus abondant, 23 600mg/kg dans la croûte terrestre) et bien plus accessible. Le premier réservoir de sodium étant l’eau de mer qui en contient environ 10g/kg, ce qui peut permettre une exploitation par de nombreux pays.

Ainsi, la réalisation d’un prototype de format « 18650 » (format standard utilisé pour les batteries Li-ion) par l’équipe du RS2E, constitue un grand pas en avant vers une industrialisation de ces batteries. Avec une densité énergétique de 90 Wh/kg, équivalente aux premières batteries Li-ion mises sur le marché, (moitié moins que les dernières générations à 200 Wh/kg), et une durée de vie supérieure à 2000 cycles de charge/décharge, ce prototype présente des caractéristiques prometteuses. Une amélioration de la densité énergétique pouvant rendre les batteries Na-ion encore plus compétitives.

Bien que la technologie sodium-ion ne puisse pas concurrencer les batteries Li-ion sur le marché de la téléphonie mobile et des tablettes, elle peut être pleinement envisagée en remplacement du Li-ion dans les voitures électriques, ou comme stockage de masse des énergies renouvelables intermittentes (solaire, éolien…), deux marchés en pleine expansion.

BIBLIOGRAPHIE

■ Journal du CNRS

■ Rapport du BRGM, Panorama du marché du Lithium 2011

■ Document de Travail du CGSP, N°2013-04, Juillet, « Approvisionnement en métaux critiques »

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